Todo mundo adora um mistério; é um aspecto fundamental do nosso instinto ser curioso em tudo o que encontramos. Além disso, todo mundo adora resolver um mistério, uma personificação de nossa natureza solucionadora de problemas que viu os humanos inventarem o fogo, a roda, construírem pontes, dividirem o átomo e olharem através de telescópios. Dito isto, quando há um mistério em mãos e, após cinco décadas, não estamos mais perto de encontrar uma solução, então isso pode ser um pouco frustrante. Por essa lógica, os astrónomos que estudam a matéria escura – o material invisível que constitui mais de 80 por cento de toda a matéria do Universo e que produz uma quantidade significativa de gravidade extra – devem ter a paciência dos santos. O problema HOPE da matéria escura foi levantado pela primeira vez no centro das atenções no início da década de 1970 por Vera Rubin e Kent Ford, mas não estamos realmente mais perto de responder à questão do que é. Ao longo dos anos, surgiram duas teorias principais, mas nenhuma delas se saiu bem. Nós os chamamos de MACHOs e WIMPs. MACHOs significa objetos halo compactos massivos. Por outras palavras, objetos modestamente pequenos, mas muitas vezes pesados, que, se existissem em número suficiente, produziriam gravidade suficiente para explicar a matéria escura.
MACHOs seriam coisas como buracos negros de massa estelar, estrelas de nêutrons, anãs brancas e uma miríade de anãs marrons fracas, todas as quais sabemos que existem, mas talvez não nos números necessários para criar toda aquela gravidade extra. Os WIMPs, por outro lado, referem-se a partículas massivas de interação fraca – uma raça puramente hipotética de partícula que combina características como quase nunca interagir com outra matéria, exceto por meio da gravidade, ter uma massa muito considerável para uma partícula (mais massa significa mais gravidade) e ter energia bastante baixa, uma vez que sabemos que a matéria escura tende a se agrupar em aglomerados, em vez de girar pelo Universo. MACHOs são um problema astrofísico a ser resolvido. Como os MACHOs tendem a ser bastante fracos, os astrónomos procuram-nos indirectamente através de microlentes gravitacionais. Embora possamos não ser capazes de ver um MACHO, podemos por vezes observar como, se o alinhamento estiver correto, a sua gravidade pode ampliar a luz de objetos mais distantes, como estrelas. No entanto, os números simplesmente não estão se acumulando.
Os WIMPs, por outro lado, são inerentemente um problema de física de partículas. Os astrónomos podem medir o efeito da matéria escura e restringir algumas das suas propriedades, mas se a matéria escura é um novo tipo de partícula, então cabe aos físicos de partículas descobrir que tipo de partícula é. Como mencionado, se os WIMPs são reais, então devem ser enormes. Os físicos organizam as partículas através do Modelo Padrão – um catálogo de partículas conhecidas que parece completo no sentido de que, de acordo com as leis conhecidas da física, cada partícula prevista é contabilizada. No Modelo Padrão, a partícula mais massiva é o ‘quark top’, que tem uma energia de massa de 172,76 GeV (bilhões de elétron-volts). Em segundo lugar está o bóson de Higgs, com 125,11 GeV. Os WIMPs, se forem reais, são provavelmente mais massivos do que qualquer um deles. Sua existência levaria a física além dos limites conhecidos do Modelo Padrão e para domínios que são puramente hipotéticos no momento, como a supersimetria.
Supersimetria é a ideia de que certas partículas no Modelo Padrão poderiam ter ‘superparceiros’ com propriedades quase idênticas, mas muito mais elevadas. massas e um spin quântico diferente. Se a matéria escura é uma partícula massiva, então ela deve existir além do Modelo Padrão como um dos hipotéticos superparceiros. A atratividade da supersimetria não reside apenas na matéria escura; também é previsto pela Teoria das Cordas, que é o conceito que postula como, na escala mais fundamental, toda a matéria é composta de minúsculas cordas vibrantes. Depois de descobrir o bóson de Higgs, um dos principais objetivos do Grande Colisor de Hádrons, que é o vasto acelerador de partículas de 270 quilômetros de comprimento no CERN, na fronteira França-Suíça, iria além do Modelo Padrão e entraria no reino da supersimetria. No entanto, nas energias de massa em que se pensa que existem superparceiros, o LHC não encontrou um total de nada, colocando todo o conceito em questão. A Teoria das Cordas já estava em situação instável para muitos na comunidade da física de partículas, mas se a supersimetria é a água do banho, então os WIMPs são o bebê. Se, como parece cada vez mais provável, a teoria da supersimetria for um fracasso, então isso não deixa espaço para os WIMPs. Em essência, os WIMPs desapareceram.
Com a física de partículas enfrentando uma encruzilhada – muitos nessa comunidade estão defendendo um novo e mais poderoso acelerador de partículas para tentar responder às questões levantadas pelo LHC e procurar desesperadamente por superparceiros – a astronomia deve mais uma vez assumir o papel de tentar descobrir o que é matéria escura. A queda dos WIMPs e o fracasso dos MACHOs em explicar plenamente toda a gravidade extra criada pela matéria escura abriram a porta para teorias mais selvagens. Uma ideia popular é que a matéria escura poderia ser feita de áxions, outra classe de partícula teórica que não tem spin, não tem carga, tem uma massa minúscula e que foi desenvolvida para resolver certos problemas da cromodinâmica quântica, que descreve como a força forte une os quarks. em prótons e nêutrons.
Outra possibilidade é que a matéria escura possa ser composta por incontáveis buracos negros primordiais formados logo após o Big Bang. Na dispersão do halo de uma galáxia, estes buracos negros primordiais seriam muito difíceis de detectar, exceto pela microlente acima mencionada, ou talvez através de um evento de onda gravitacional se dois deles se fundissem. Num assunto relacionado, uma nova teoria de astrofísicos do Instituto Tata de Pesquisa Fundamental em Mumbai, na Índia, é que a matéria escura poderia acumular-se dentro de uma estrela de nêutrons. A crescente massa de matéria escura faria com que o núcleo da estrela de nêutrons colapsasse gravitacionalmente para formar um buraco negro, que então devoraria o resto da estrela de nêutrons de dentro para fora. Isto tem como resultado a produção de um buraco negro com uma massa anómala de, digamos, cerca de três vezes a massa do nosso Sol. Esses buracos negros seriam demasiado pequenos para terem sido formados por supernovas, mas se estes buracos negros se fundissem e emitissem ondas gravitacionais, poderiam ser identificados.
As propriedades específicas da matéria escura que permitiriam tal transformação de uma estrela de nêutrons ajudariam a diminuir o leque de possibilidades sobre o que é a matéria escura. Com os WIMPs caindo em desuso, essas teorias alternativas são atualmente pouco mais do que facadas no escuro. Em vez disso, os cientistas estão a reorientar os seus esforços em observações astronómicas para aprender mais sobre as propriedades da matéria escura. Na vanguarda destas observações estão os aglomerados de galáxias – ou mais especificamente, os aglomerados que sofreram recentemente uma fusão ou que estão atualmente em vias de colisão. Os aglomerados de galáxias têm três componentes principais. Como o nome sugere, existem galáxias, talvez centenas ou mesmo milhares delas em cada aglomerado. Depois, há o meio intra-aglomerado (ICM), uma névoa de gás extremamente quente, que irradia raios X a temperaturas de milhões de graus e é responsável por mais massa no aglomerado do que todas as galáxias. Finalmente há a matéria escura, invisível e indetectável além da sua influência gravitacional.
O modo como a matéria escura se comporta em aglomerados de galáxias pode nos dizer muito sobre suas propriedades. Quando dois aglomerados de galáxias colidem, o ICM em cada aglomerado se funde. Algumas galáxias também colidirão, e as restantes cairão nos poços gravitacionais umas das outras para dar origem a um novo aglomerado mais massivo. No entanto, em teoria, as nuvens de matéria escura que mal interagem, pertencentes a cada aglomerado envolvido na fusão, deveriam navegar através das galáxias e do ICM e emergir em lados opostos do aglomerado, separadas da matéria visível. “As colisões entre aglomerados de galáxias, que trazem consigo uma enorme quantidade de matéria escura, são uma grande oportunidade para a astronomia e a física de partículas”, diz Richard Massey, que se autodenomina “cartógrafo de matéria escura” da Universidade de Durham.
“Os aglomerados de galáxias parecem ser a nossa única oportunidade de fazer o tipo de experiência que realmente gostaríamos de fazer no CERN: esmagar partículas de matéria escura e observar o que sai.” Os astrônomos são capazes de descobrir onde está localizada a matéria escura nas colisões de aglomerados de galáxias, graças ao irmão maior da microlente gravitacional. A massa total de um aglomerado de galáxias é capaz de distorcer o espaço, alterando o caminho da luz de objetos mais distantes e ampliando-os e distorcendo-os. Quando os astrônomos detectam essas lentes gravitacionais ocorrendo em partes de um aglomerado de galáxias onde parece não haver galáxias ou gás visíveis, eles inferem a presença de matéria escura.
Douglas Clowe, da Universidade de Ohio, nos Estados Unidos, liderou uma análise de várias fusões de aglomerados de galáxias, incluindo o Aglomerado Bullet. Este exemplo bem conhecido, localizado a 3,7 mil milhões de anos-luz de distância e formado por dois subaglomerados que se chocam, tem sido uma espécie de campo de batalha para provar que a matéria escura é real. Clowe diz que a sua investigação aponta inequivocamente para a matéria escura, ao mostrar que o que quer que esteja a causar a maior parte das lentes gravitacionais não está nem perto da matéria comum visível do aglomerado. “Quase todos os clusters em fusão são iguais”, diz ele.
“Eles precisam que a maior parte da massa do sistema esteja na forma escura e que o gás de raios X represente menos de cerca de 30 por cento da massa dos aglomerados.” A missão Euclid da Agência Espacial Europeia, que abordamos detalhadamente na edição de setembro de 2023, irá sondar a matéria escura em todo o céu, não apenas em aglomerados, mas ao longo da teia cósmica de matéria que abrange o Universo, procurando a sua fraca gravidade gravitacional. efeitos de lente. Os aglomerados de galáxias são melhor servidos por observações mais dedicadas, como as do Telescópio Espacial Hubble, que estudou recentemente o aglomerado de galáxias El Gordo. Este é um imenso aglomerado localizado a 6,2 bilhões de anos-luz de distância. Astrônomos liderados por Jinhyub Kim e James Jee, da Universidade Yonsei, na Coreia do Sul, determinaram que a massa total de El Gordo era de 2,3 quatrilhões de massas solares, a grande maioria das quais é feita de matéria escura que eles descobriram estar deslocada da matéria regular, assim como Clowe. encontrado no agrupamento de marcadores.
Euclid é uma enorme missão que tenta mapear o “universo escuro” dominado pela matéria escura e pela energia escura e envolve milhares de cientistas de todo o mundo; é tudo um pouco impessoal. Enquanto isso, o Telescópio Espacial Hubble é um instrumento popular e com excesso de inscrições, o que significa que a maioria dos astrônomos não consegue usá-lo com muita frequência. Então Massey e seus colegas começaram a projetar e construir sua própria missão: o Super- Pressure Balloon-borne Imaging Telescope, ou SuperBIT, para abreviar. Enquanto o Euclid tem um orçamento de 1,4 mil milhões de euros, o SuperBIT custou apenas £ 4,1 milhões. Já realizou vários voos, descolando mais recentemente da Nova Zelândia em Abril de 2023, e aproveita as correntes térmicas estáveis no alto da atmosfera para circunavegar o Hemisfério Sul a uma altitude estratosférica de cerca de 40 quilómetros durante três meses. Estando acima de grande parte da atmosfera, o SuperBIT tem uma visão clara do Universo.
A bordo está um telescópio de campo amplo de 500 mm que fotografa aglomerados de galáxias, procurando sinais de lentes fracas que possam revelar a presença de matéria escura e talvez nos contar um pouco sobre o que essa matéria escura está fazendo. No final de cada voo, o SuperBIT retorna à Terra via pára-quedas, onde pode ser reformado e enviado ao ar novamente. “Construímos e lançamos este telescópio que foi projetado exclusivamente para observar 100 dessas colisões de aglomerados”, diz Massey, que gosta do fato de que é uma experiência colegiada muito diferente quando comparada a trabalhar em uma missão como a Euclid. “Gosto particularmente de trabalhar no SuperBIT porque toda a equipe pode ir ao pub junta”, diz ele, entusiasmado com a forma como as relações estreitas foram forjadas entre a equipe -membros e com o próprio telescópio pode levar a uma ciência melhor.
“Isso é importante porque os experimentos estão cada vez maiores”, acrescenta. “Por exemplo, Euclides envolve alguns milhares de astrônomos.” Com as partículas de matéria escura não conseguindo aparecer nos aceleradores de partículas, a pressão recai agora sobre os astrónomos para que façam os próximos avanços na investigação da matéria escura. Os aglomerados de galáxias fornecem o laboratório astrofísico perfeito para testar modelos de matéria escura e, à medida que os astrônomos melhoram em descobrir o que está acontecendo nas colisões de aglomerados, mais clara se torna a situação em relação à matéria escura. “Quando estudamos a matéria escura em aglomerados, fazemos perguntas poderosas”, diz Massey. “Alguma matéria escura é destruída durante a colisão? Ele desacelera ou se espalha? A partir do comportamento da matéria escura durante as colisões, poderemos aprender o que é.”
